Министерство  образования и науки                                                                Тверской государственный технический  университет                               Кафедра машин и аппаратов  химических производств 
 
 
 
 
 
 
 

Пояснительная записка к курсовому  проекту         на тему: абсорбционная установка для извлечения NH3 из смеси  с воздухом 
 
 
 
 

Автор курсового  проекта:                       Арсеньев А.Э.

Вариант: №1.

Группа БТ-0803. Специальность - 070100

Руководитель  проекта:                        доцент Бобров И.В. 
 
 

Тверь 2011г.

Содержание

Введение 3

1 Описание технологической  схемы 5

1.1 Общие сведения 5

1.2 Технологическая  схема для извлечения NH₃ 6

2 Современное  состояние вопроса 8

3 Технологический  расчёт 13

3.1 Масса поглощаемого  вещества и расход поглотителя 13

3.2 Движущая сила  массопередачи 17

3.3 Коэффициент  массопередачи 18

3.4 Скорость газа  и диаметр абсорбера 19

3.5 Плотность  орошения и активная поверхность 21

3.6 Поверхность  массопередачи и высота абсорбера 26

4 Гидравлическое  сопротивление абсорбера 28

5 Тепловой баланс  абсорбера 30

6 Расчет дополнительного  оборудования 31

6.1 Расчет и  выбор трубопровода 31

6.1.1 Трубопровод  для абсорбента (вода) 31

6.1.2 Трубопровод  для газовой смеси 33

6.1.3 Трубопровод  для смеси NH3 с водой. 34

6.1.4 Трубопровод  для водяного пара 35

6.1.5 Трубопровод  для конденсата 35

6.2 Подбор вентилятора 36

6.3 Подбор насосов 37

6.4 Подбор емкостей 38

6.5 Подбор ректификационной  колонны 39

6.6 Подбор подогревателя 40

6.7 Подбор холодильников 42

6.8 Подбор конденсатоотводчика. 44

7 Подбор фланцевых  соединений 45

Заключение 46

Список использованных источников 47 

Введение

     Абсорбцией  называют процесс поглощения газов  или паров из газовых или парогазовых  смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

     При физической абсорбции поглощаемый  газ (абсорбтив) не взаимодействует  химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом  химическое соединение, то процесс  называется хемосорбцией.

     Физическая  абсорбция в большинстве случаев  обратима. На этом свойстве абсорбционных  процессов основано выделение поглощённого газа из раствора - десорбция.

     В промышленности процессы абсорбции  применяются главным образом  для извлечения ценных компонентов  из газовых смесей или для очистки  этих смесей от вредных примесей.

     Абсорбционные процессы широко распространены в химической технологии и являются основной технологической  стадией ряда важнейших производств (например, абсорбция SO3 в производстве серной кислоты). Кроме того, абсорбционные процессы являются основными процессами при санитарной очистке выпускаемых в атмосферу отходящих газов от вредных примесей (например очистка топочных газов от SO2; очистка от фтористых соединений газов)  

     В данном курсовом проекте происходит абсорбция аммиака, из воздушной  смеси, водой. В результате, на выходе из абсорбера, получается так называемый нашатырный спирт (аммиачная вода), широко используемый как в промышленности, так и в народном хозяйстве. 
 
 

     Основной  промышленный способ получения NH3- по реакции:

     1/2N₂+ 3/2Н₂ →NH₃

     Сдвиг равновесия вправо способствует повышение  давления и понижения температуры. Тепловой эффект реакции при 29,4 МПа  составляет 52,38 кДж/моль. Процесс проводят в присутствии катализатора –  Fe, активированного K₂O;Al₂O₃;CaO и др.

     

     Применяют аммиак в производстве HNO₃, мочевины, NH₄NO₃; (NH₄)₂CO₃; (NH₄)₂SO₄., аммофоса, уротропина, как жидкие удобрения, в качестве хладагента. Мировое производство NH3 составило в 1982 около 89 млн. т, в СССР 17.76, США 14.06. СРР 3.14, Франции 1.9, Японии 2.01, ФРГ 1.92 млн. т.

     Аммиачная вода –– раствор аммиака в воде. Прозрачная (иногда с желтоватым оттенком) жидкость с резким запахом, плотность 18,5–25%-ного раствора 0,930–0,910 г/см³ (15 ⁰С); парциальное давление паров аммиака 0,1 МПа (40 ⁰С); температура выделения твёрдой фазы от–31,3 до –53,9 ⁰С. С возрастанием давления растворимость аммиака увеличивается, с повышением температуры уменьшается.

     Применят  аммиачную воду в производстве азотной  кислоты, мочевины, солей аммония, аммофоса, уротропина и т.д.. Жидкий аммиак —  хладагент, высококонцентрированное удобрение. 
 
 
 
 
 

1 Описание технологической  схемы

1.1 Общие сведения

      Промышленные  схемы абсорбционных установок  бывают промежуточные, прямоточные, одноступенчатые  с рециркуляцией и многоступенчатые с рециркуляцией.

     Для извлечения аммиака из воздуха используем противоточную схему (рис.1.) по этой схеме в одном конце аппарата приводится в контакт газ и  жидкость, имеющие большие концентрации распределяемого вещества, а в  противоположном конце меньшие. 

     

     Рис. 1 - Противоточная схема абсорбции

      При противоточной схеме абсорбции  газ проходит через абсорбер снизу  вверх, а жидкость стекает сверху вниз. Так при противотоке уходящий газ соприкасается со свежим абсорбентом, над которым парциальное давление поглощаемого компонента равно нулю (или очень мало), то можно достичь  более полного извлечения компонента из меси, чем при прямоточной схеме. 

1.2 Технологическая  схема для извлечения  NH₃

      На  рисунке 2 представлена технологическая  схема абсорбционной установки  для извлечения NH₃ из смеси с воздухом.

      Рисунок 2 - Схема абсорбционной установки:

1 - вентилятор (газодувка); 2 - абсорбер; 3 - брызгоотбойник; 4,6 - оросители; 5 - холодильник; 7 - десорбер; 8 - куб десорбера; 9,13 - емкости для  абсорбента;   10,12 - насосы; 11 - теплообменник-рекуператор.

      Температура исходной газовой смеси составляет 22^оС. Производительность по исходной газовой смеси равна 15000 нм³/час. Концентрация NH3 в газовой смеси (об.%): 8 - начальная; 0,2 - конечная.

      Аммиак  на абсорбцию подается газодувкой 1 в нижнюю часть колонны 2, где равномерно распределяется перед поступлением на контактный элемент (насадку или  тарелки). Абсорбент (вода) из промежуточной емкости 9 насосом 10 подается в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по поперечному сечению абсорбера с помощью оросителя 4. В колонне осуществляется противоточное взаимодействие аммиака и жидкости. Аммиак после абсорбции, пройдя брызгоотбойник 3, выходит из колонны.

      Абсорбент (вода) стекает через гидрозатвор в промежуточную емкость 13, откуда насосом 12 направляется на регенерацию в десорбер 7 после        предварительного подогрева в теплообменнике - рекуператоре 11. Исчерпывание поглощенного компонента из абсорбента производится в кубе 8, обогревом и как правило, насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны абсорбент, пройдя теплообменник - рекуператор 11, дополнительно охлаждается в холодильнике 5.

      Регенерация может осуществляться также другими  методами, например отгонкой поглощенного компонента потоком инертного газа или острого пара, понижением давления, повышением температуры. Выбор метода регенерации существенно сказывается  на технико-экономических показателях  абсорбционной установки в целом.        
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 Современное состояние  вопроса

      Согласно  патенту №805795, Филатов Ю.В.,Сущев В.С.,Игин В.В., ДастикасИонас, Колосов В.В.:Абсорбционная установка для производства серной кислоты.Изобретение относится к аппаратурному оформлению абсорбционной установки в технологической схеме производства серной кислоты.

      Сущность  изобретения: абсорбционная установка включает абсорбер (1), газовый теплообменник (3), теплообменный аппарат (2) для охлаждения газа перед абсорбцией, циркуляционный сборник (4) и кислотный холодильник (5). Абсорбционная установка снабжена также барабаном-сепаратором (6), выход которого соединен с входом теплообменного аппарата (2), а вход - с выходом из теплообменного аппарата (2) и оснащен линией подпитки водой и линией отвода пара потребителю, а вход и выход хладагента кислотного холодильника (5) соединены непосредственно с потребителем. Использование предложенной установки с раздельными контурами кислотного холодильника и теплообменного аппарата с барабаном-сепаратором позволяет избежать попадания закисленной воды в последний указанный контур и тем самым предотвратить процесс коррозии, что позволяет повысить надежность установки. 
 
 
 
 
 

Рисунок 2 - Абсорбционная установка для  производства серной кислоты 

     Согласно  патенту № 860836, Яблоков Владимир Демьянович: Абсорбционная холодильная установка.

      Сущность  изобретения: установка содержит последовательно соединенные испаритель 1, абсорбер 2, насос 3 и генератор пара, выполненный в виде вихревой трубы 4, причем тангенциальный вход а трубы 4 соединен с выходным трубопроводом насоса 3, выход б холодного потока трубы 4 соединен с испарителем 1, а выход в горячего потока трубы 4 соединен с абсорбером 2.

Рисунок 3 - Абсорбционная холодильная установка

      Согласно  патенту №689711, Сафин Р.Г.,Башкиров В.Н.,Лашков В.А.,Самойлов Г.И.,Зиатдинова Ф.С.,Сибгатуллин Р.Б.,Сунгатуллина Г.И.,Тимербаева Д.Ф.: Установка для извлечения жирных кислот из соапстока.

      Изобретение относится к технике извлечения жиров и масел из соапстока, в  частности оно предназначено  для извлечения жирных кислот из соапстока  с помощью химической реакции  с серной кислотой. Установка  включает реактор (1), эжектор (15), трубку (16), фильтр-барботер (17), фильтр(18), емкости (22) и (23), жироловушку (24), сепаратор, расположенный над реактором (1) и сообщенный с эжектором (15). Сепаратор выполнен в виде двухсекционного кожухотрубчатого теплообменника с охлаждаемым межтрубным пространством и снабжен форсунками (9), а также слоями насадки (10) и (11).

Рисунок 4 - Установка для извлечения жирных кислот из соапстока

      Согласно  патенту № 902797 Н.Ф.  Авторы: Хрипунов, А.Т. Ульянов, С.А. Ульянов: абсорбционный аппарат.

      Изобретение относится к аппаратурному оформлению процессов тепло-массообмена, протекающих  в системе газ-жидкость, таких  как абсорбции, и может найти  применение в химической и смежной  с ней отраслях промышленности.

      Известен  абсорбционный аппарат, включающий корпус с установленными по его высоте пакетами тарелок из трубчатых элементов.

      Недостатком известной конструкции является повышенная склонность к забиванию и зарастанию выделяющимися при абсорбции твердыми осадками в большей степени нижних тарелок, что ведет к снижению эффективности процесса массообмена.

      Цель  изобретения - интенсификация процесса массообмена и повышение надежности работы.

      Цель  достигается тем, что в абсорбционном  аппарате, включающем корпус с установленными по его высоте пакетами тарелок из трубчатых элементов, выполненных  с уменьшающимся диаметром снизу  вверх, при этом соотношение диаметров  трубчатых элементов нижней и  верхней тарелок составляет 2-10, а  соотношение диаметров трубчатых  элементов нижней тарелки и корпуса  аппарата составляет 0,2 - 0,02.

      Согласно  патенту № 860836, Л.Я. Живайкин, В.И. Червяков, Б.Т. Васильев: установка для проведения процесса абсорбции.

     Изобретение относится к конструкции аппаратов  химической технологии и может быть применено в химической и других областях промышленности, в частности  для проведения процесса абсорбции  серного ангидрида и осушки газа в контактном производстве серной кислоты  под давлением.

     

      Известна  установка для проведения процесса абсорбции серного ангидрида  в сернокислотной системе, работающей под давлением, которая включает насадочный абсорбер, сборник горячей  кислоты, циркуляционный насос, теплообменник  для охлаждения серной кислоты и  напорный бачок, соединенные кислотопроводами последовательно между собой.

      К недостаткам такой установки относятся низкая интенсивность и недостаточная эффективность насадочного абсорбционного аппарата, а также тяжелые условия работы циркуляционного насоса при повышенном давлении в системе и коррозионной активности серной кислоты.

      Известна  установка для проведения процесса абсорбции, включающая контактный аппарат, соединенный через гидрозатвор  со сборником 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 Технологический  расчёт

3.1 Масса поглощаемого  вещества и расход  поглотителя

      Массу аммиака, переходящих в процессе абсорбции аз газовой смеси в  поглотитель за единицу времени, находят из уравнения материального  баланса [1, с. 192].

       ,    (1)

      где L, G - расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части газа, кг/с;

       - начальная и конечная концентрация  аммиака в поглотителе - воде, (масса вещества, передаваемого через поверхность массопередачи в единицу времени);

       - начальная и конечная концентрация  аммиака в газе, .

      В условии даны объёмные концентрации аммиака. Необходимо рассчитать относительные  массовые концентрации и массовые доли , а также объемные массовые концентрации .

      Найдем  относительные массовые концентрации: начальную и конечную:

                              (2)

      где - мольная масса аммиака, кг/моль; 
 
 

- мольная масса воздуха, кг/моль, соответственно ( , );

- концентрация NH₃ в газовой смеси в % от объема;

.

                  (3)

.

      Далее находим плотность NH₃ и воздуха.

(при 0 ^оС и 760 мм.рт.ст);

(при 0 ^оС и 760 мм.рт.ст).

      Рассчитаем  конечные и начальные массовые доли:

      (4)

;

.

      Считая, что изменение объема при смешении не происходит, то есть объем смеси  равен сумме объемов компонентов, находим объем 1 кг смеси:

,      (5)

в начале: ,

в конце: .

Откуда  плотность смеси:

ρ смеси  нач. = ,

ρ смеси  кон. = .

      Содержание  аммиака в воде, подаваемой в абсорбер Хн = 0, вода абсолютно чистая.

      Расход  инертной части газа:

,      (6)

      где V₀ - производительность по газу при нормальных условиях, м³/с и вычисляется по формуле:

      y_об - объемная доля NH₃в смеси с воздухом,

      ρ_оу- средняя плотность смеси, ;

       - объемная массовая концентрация, ;

      Объемная  доля NH₃в смеси с воздухом равна:

;      (7)

      Рассчитаем  объемные массовые концентрации :

,       (8)

,

,       (9)

.

      Найдем  y_об:

.

      Найдем  расход инертной части газа:

G = 5.125*(0.048-0.00119)=0.234 кг/с.

      Производительность  абсорбера:

М = 5,125*(0,048-0,00119) = 0,234 кг/с

      Рассчитаем  конечную концентрацию аммиака в  воде , которая обуславливает его расход, а также часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и её регенерацией. Поэтому выбирают, исходя из оптимального расхода поглотителя. Для химических производств расход поглотительного вещества принимают в 1,2-1,5 раза больше минимального h_MIN . В этом случае конечную концентрацию определяют из уравнения материального баланса:

   (10)

      В данном случае мы применяем расход поглотительного вещества в 1,3 раза больше L_MIN, отсюда:

,      (11)

      гдеX_Y,_H - концентрация аммиака в жидкости, равновесная с газом начального состава [1, с.194, рис5];

, жидкость без примесей (чистая).

,

(М - масса вещества, передаваемого через  поверхность массопередачи в  единицу времени).

      Расход  поглотителя (воды) равен:

     (12)

.

      Тогда соотношение расходов фаз или  удельный расход поглотителя составит:

       .

3.2 Движущая сила  массопередачи

      Движущая  сила массопередачи может быть выражена в единицах концентраций как жидкой, так и газовой фаз. Для случая линейной равновесной зависимости  между составами фаз, принимая модель идеального вытеснения в потоках  обеих фаз, определим движущую силу в единицах концентраций газовой  фазы:

,      (14)

где и - большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, ;

      В нашем случае:

,      (15)

,      (16)

где и - концентрации аммиака в газе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (воде), соответственно на входе в абсорбер и на выходе из него.

,

,

.

3.3 Коэффициент массопередачи

      Коэффициент массопередачи Ку находят по уравнению  аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

,     (17)

где β_Х и β_Y - коэффициенты массотдачи соответственно в жидкой и газовой фазах, ;

m - коэффициент распределения, .

      Для расчёта коэффициентов массотдачи необходимо выбрать тип насадки  и рассчитать скорости потоков в  абсорбере. При выборе насадке руководствуемся  следующими соображениями:

1. Необходимо получить наибольшую геометрическую поверхность, выбирая мелкие насадки;
2. Необходимо учитывать допустимую потерю давления в насадке. При работе под давлением, близким к атмосферному, потеря давления по экономическим соображениям должна быть минимальной и в этом случае следует отдавать предпочтение регуляторным насадкам.

         Таким образом, выбираем насадку регулярную - керамические кольца Рашига 50*50*5:

         Удельная поверхность: а = 110 м²/м³;

         Свободный объём: έ = 0,735 м³/м²;

      Эквивалентный диаметр: d_э = 0,027 м;

      Насыпная  плотность: ρ = 650 кг/м³;

      Число штук: 8500.

3.4 Скорость газа  и диаметр абсорбера

      Предельную  скорость газа, выше которой наступает  захлёбывание насадочных абсорберов, можно рассчитать по уравнению:

       ,       (18)

где w_пр - предельная фиктивная скорость газа, м/с;

µ_х, µ_в - вязкость соответственно поглотителя при температуре в абсорбере и воды при 22^оС, Па*с.

А, В - коэффициенты, зависящие от типа насадки;

L и G - расходы фаз, кг/с.

      Пересчитаем плотность газа на условия в абсорбере:

,     (19)

где - плотность смеси, кг/м³;

Т_о - температура по Кельвину, равная 273^оС;

t - температура в абсорбере, ^оС;

Р - давление в абсорбере, Па;

Ро - атмосферное  давление, Па.

, (давление в аппарате атмосферное).

      Найдем  скорость газа по формуле (18):

       ,

Коэффициенты  А и В находим [1, с.197]

A = 0,079,

В = 1,75.

;

;

.

      Рабочую скорость wпринимают равной 0,3-0,5 от предельной. Примем w = 0.35*w_пр = 0,35*19,9 = 7 м/с.

      Диаметр абсорбера находим из уравнения  расхода:

     (20)